Watt naar megawatt

Verbetering vermogensconversie met SiC MOSFET's

Ontwerpers van hoogspanningsvoedingssystemen pleiten al tijden voor betere halfgeleidertechnologie om te voldoen aan de vraag van de klant naar converters die kleiner, lichter, betrouwbaarder en efficiënter en minder duur zijn. Met silicium MOSFET’s en silicium IGBT’s moeten compromissen worden gesloten; men moet bijvoorbeeld ofwel het meest betrouwbare ontwerp ofwel het meest efficiënte ontwerp kiezen, maar niet beide. Hoogspannings-siliciumcarbide (SiC) MOSFET’s bieden veel meer mogelijkheden.

Al bijna twee decennia lang zijn er SiC-componenten met werkspanningen van 650 tot 1200 V voor vermogenselektronica, waarmee ontwerpers baanbrekende verbeteringen konden doorvoeren. Betrouwbaarheid, grootte, gewicht en zelfs kosten konden ze zo verbeteren. De recente introductie van een SiC-productfamilie van 1700 V breidt de talloze voordelen van SiC uit wat ten goede komt aan omzetters voor geëlektrificeerde commerciële en zware voertuigen, lightrail-tractie, hernieuwbare energie, en industriële aandrijvingen.

Tientallen tot honderden watts
Waarom zouden we voor lage vermogens 1700V-transistor toepassen? Daarvoor moeten we gaan kijken naar de hulpvoeding (AuxPS) die aanwezig is in elk systeem en essentieel is voor de goede werking van industriële motoraandrijvingen, elektrische voertuigen, back-upstroombronnen, zonne-energieomvormers, oplaadinfrastructuur en meer. De AuxPS is immers systeemkritisch omdat hij stroom levert aan gate-drivers, detectie- en regelcircuits en koelventilatoren. Hij mag daarom niet falen.

Omdat deze geïsoleerde, schakelende voedingen met laag vermogen in diverse toepassingen over de hele wereld worden gebruikt, moeten ze een breed DC-ingangsbereik hebben. Misschien wel de krachtigste methode voor het beperken van storingen is een vereenvoudigd circuitontwerp. Zoals weergegeven in afbeelding 2, is het meest betrouwbare circuitontwerp de flyback-topologie met één schakelelement (afbeelding 2, rechts), die eenvoudiger is en minder onderdelen bevat.

De 1700 V SiC MOSFET biedt een ideale oplossing voor de AuxPS. Door de combinatie van een hoge doorslagspanning, een lagere specifieke R_ds-on en een hoge schakelsnelheid, zijn deze componenten zeer geschikt voor de flyback-topologie. Normale silicium componenten hebben immers ofwel een te lage spanning, wat een architectuur met twee schakelelementen vereist (getoond in afbeelding 2, links) wat de kans op falen verdubbelt; of ze hebben een voldoende spanningsclassificatie maar slechte prestaties, weinig leveranciers en vergeleken met SiC een hogere prijs.

Naast de verbeterde betrouwbaarheid, het eenvoudigere besturingsschema, het verminderde aantal componenten en de lagere kosten, kan een AuxPS die gebruikmaakt van 1700 V SiC MOSFET’s ook kleiner zijn. De oppervlakte-genormaliseerde on-state weerstand, ook wel specifieke on-weerstand (R_{on, sp}) genoemd, van SiC MOSFET’s is een fractie van die voor silicium MOSFET’s. Dit betekent dat de behuizing van de MOSFET’s kleiner kunnen worden doordat de gebruikte chip kleiner is. Ook is de warmteontwikkeling kleiner wat resulteert in een kleiner koellichaam of helemaal geen. Bovendien hebben SiC MOSFET’s lagere schakelverliezen, waardoor de schakelfrequentie hoger kan zijn. Dit heeft als voordeel dat de transformator kleiner en goedkoper kan zijn.

Tientallen tot honderden kilowatts
In het vermogensbereik bieden 1700 V SiC MOSFET’s ook veel voordelen ten opzichte van silicium MOSFET’s en IGBT’s in toepassingen variërend van tientallen tot honderden kilowatts. Voorbeelden zijn string- en centrale omvormers voor zonne-energie, hulpaggregaten (APU’s) in commerciële transportvoertuigen, inductieverwarmings- en lasmachines, industriële aandrijvingen, windenergieomvormers en meer.

Naarmate het verwerkte vermogen toeneemt, neemt ook de impact van de snellere, efficiëntere schakeling van SiC toe. In vergelijking met de silicium IGBT verminderen SiC MOSFET’s schakelverliezen met gemiddeld 80%, waardoor converters de schakelfrequentie kunnen verhogen en de grootte, het gewicht en de kosten van omvangrijke, dure transformatoren kunnen verlagen. En hoewel de geleidingsverliezen van SiC MOSFET’s en silicium IGBT’s vergelijkbaar zijn onder zware belasting, brengen veel toepassingen het grootste deel van hun levensduur door met werken onder zogenaamde “lichte belastingsomstandigheden”. Overweeg een paar voorbeelden: omvormers voor zonne-energie die werken op bewolkte dagen of in de schaduw; windturbineconverters op stille dagen; of treindeuren (geopend/gesloten door transport-APU’s) die bijna altijd gesloten zijn. Onder deze veel voorkomende omstandigheden met lichte belasting bieden SiC MOSFET’s lagere geleidingsverliezen als aanvulling op de verminderde schakelverliezen, waardoor het verminderen van warmteafvoer of andere thermische beheersmaatregelen mogelijk wordt.

Vanuit het oogpunt van betrouwbaarheid bieden SiC MOSFET’s ontwerpers de mogelijkheid om de circuittopologie en het besturingsschema te vereenvoudigen en het aantal componenten te verminderen, wat natuurlijk gepaard gaat met lagere kosten. Vanwege de hogere vermogensbehoefte van deze omvormers met gemiddeld vermogen, wordt een hogere DC-busspanning gebruikt – meestal tussen 1000…1300 V. Bij het selecteren van siliciumtransistors voor gebruik bij deze hoge DC-tussenkringspanningen, zorgen de efficiëntie-eisen er voor dat ontwerpers moeten kiezen uit een paar complexe circuitarchitecturen met drie niveaus. Getoond in figuur 3, zien we het met diodes vastgelegde nulpuntcircuit, het actieve nulpuntcircuit en het T-type circuit. Daarentegen stelt het gebruik van 1700 V SiC MOSFET’s ontwerpers in staat om deze beperkingen te doorbreken en terug te keren naar het elegantere circuit met twee niveaus dat aan de rechterkant van figuur 3 wordt getoond.

Omdat SiC’s bij zeer hoge snelheden hoge vermogensniveaus kunnen schakelen, moet ervoor worden gezorgd dat overshoot en stoorpieken worden onderdrukt. Converters met gemiddeld vermogen in deze toepassingen schakelen met gemak honderden ampères over een 1000…1300V-bus in minder dan een microseconde, wat lage inducties vraagt, intelligente en snelwerkende gate-drivers en een optimale systeemlay-out.

Door de SP6LI-vermogensmodules van Microchip Technology te combineren met de AgileSwitch digitale gate-drivers, krijgen ontwerpers kant-en-klare oplossingen om het maximale voordeel uit 1700 V SiC MOSFET’s te halen zonder deze gemeenschappelijke uitdagingen aan te gaan.

Megawatt
In het multi-megawatt vermogensbereik zijn de belangrijkste ontwerpfactoren schaalbaarheid en minimaal onderhoud, wat aanleiding geeft tot het gebruik van modulaire oplossingen op basis van een basiseenheidscel. Zoals weergegeven in figuur 4, zijn de eenheidscellen, soms aangeduid als bouwstenen voor vermogenselektronica of submodules, geconfigureerd als cascade-H-brugconverters of modulaire multi-levelconverters (MMC’s). Toepassingen op megawattschaal zijn onder meer solid-state transformatoren (SST’s), middenspannings-dc-distributiesystemen, tractie-eenheden (TPU’s) in commerciële en zware voertuigen, centrale omvormers voor zonne-energie en offshore windenergieconverters, en stroomconversiesystemen aan boord.

Historisch gezien waren de vermogenshalfgeleiders die in de eenheidscellen werden gebruikt 1200 tot 1700 V silicium IGBT’s. Zoals eerder vermeld, hebben 1700 V SiC MOSFET’s veel lagere schakelverliezen, waardoor het mogelijk is om de schakelfrequentie te verhogen en de grootte van elke eenheidscel drastisch te verkleinen. Bovendien vermindert de hoge blokkeerspanning van 1700 V het aantal eenheidscellen dat nodig is voor dezelfde DC-linkspanning, wat uiteindelijk de systeembetrouwbaarheid verhoogt en tegelijkertijd de kosten verlaagt.

Auteurs: Xuning Zhang en Kevin Speer, Microchip